具有隔离的功率提取本质安全脉冲输出电路的工业过程变量变送器.pdf

一种工业过程变量变送器，包括配置成感测过程变量的过程变量传感器。测量电路耦合至过程变量传感器并且提供作为过程变量的函数的测量输送。输出电路包括配置成耦合至过程控制回路的回路连接。光学传感器从测量电路接收测量输出。开关装置响应于来自光学传感器的输出施加脉冲至过程控制回路。电源电路用从过程控制回路和回路连接接收的电力为光学传感器、比较器和/或开关装置供电。

权利要求书
1.  一种工业过程变量变送器，包括：
过程变量传感器，配置成感测过程变量；
耦合至过程变量传感器的测量电路，配置成提供作为过程变量的函数 的测量输送；
输出电路，包括：
回路连接，配置成耦合至过程控制回路；
光学传感器，配置成从测量电路接收测量输出；
开关装置，配置成响应于来自光学传感器的输出将脉冲施加至过 程控制回路；和
电源电路，配置成用通过过程控制回路和回路连接从电力源接收 的电力为光学传感器供电。

2.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，包括第二光学传感器， 配置成从测量电路接收测量输出。

3.  如权利要求2所述的工业过程变量变送器，其中光学传感器和第 二光学传感器配置成以推挽配置运行。

4.  如权利要求2所述的工业过程变量变送器，其中光学传感器和第 二光学传感器提供输出信号至驱动开关装置的比较器。

5.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，其中电源电路包括电 容器，该电容器布置成在开关装置处于接通状态下时提供电力至光学传感 器。

6.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，其中电源电路包括电 容器，该电容器布置成在开关装置处于接通状态下时提供电力至比较器。

7.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，其中电源包括电流源。

8.  如权利要求7所述的工业过程变量变送器，其中电流源被温度补 偿。

9.  如权利要求7所述的工业过程变量变送器，其中电流源配置成在 开关装置处于关断状态下时为电容器充电。

10.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，其中电源电路包括二 极管，以在开关装置处于接通状态下时防止所存储的电力的放电。

11.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，包括至少一个电阻器， 配置成限制能够从输出电路供给至过程控制回路的电力。

12.  如权利要求1所述的工业过程变量变送器，包括配置成施加磁场 至过程流体流的磁线圈，并且其中过程变量传感器包括配置成感测与流速 相关的EMF的一对电极。

13.  一种在过程变量变送器中传递过程变量的方法，所述方法包括：
用过程变量传感器感测过程变量；
提供与感测到的过程变量相关的测量输出信号；
用光学传感器接收测量的输出信号；
基于来自光学传感器的输出将脉冲施加至过程控制回路；和
用从过程控制回路接收的电力为光学传感器供电。

14.  如权利要求13所述的方法，包括提供配置成接收测量的输出信 号的第二光学传感器。

15.  如权利要求14所述的方法，其中光学传感器和第二光学传感器 配置成以推挽配置运行。

16.  如权利要求15所述的方法，包括用来自光学传感器的输出驱动 比较器。

17.  如权利要求13所述的方法，包括将电力存储在电容器中，该电 容器布置成在开关装置处于接通状态下时提供电力至光学传感器。

18.  如权利要求13所述的方法，包括将电力存储在电容器中，该电 容器布置成在开关装置处于接通状态下时提供电力至比较器。

19.  如权利要求13所述的方法，包括在开关装置处于关断状态下时 为电容器充电。

20.  如权利要求13所述的方法，包括在开关装置处于接通状态下时 防止所存储的电力的放电。

21.  如权利要求13所述的方法，包括限制能够从输出电路被供给至 过程控制回路的电力。

22.  如权利要求13所述的方法，包括将磁场应用于过程流体流，并 且其中过程变量包括与流速相关的EMF。

说明书具有隔离的功率提取本质安全脉冲输出电路的工业过程变量变送器
技术领域
本发明涉及测量过程变量并且提供输出的工业过程变量变送器。更具 体地，本发明涉及提供表示过程变量的脉冲输出的这种过程变量变送器。
背景技术
工业过程变量变送器被用以感测工业过程中的过程变量。示例的过程 变量包括流量、温度、电平、压力等。这种过程变量变送器通常耦合至过 程控制回路，该过程控制回路用以将与所感测到的过程变量相关的信息发 送回到中心位置。一种类型的过程控制回路携带与所感测到的过程变量相 关的电脉冲。例如，一些类型的流量计利用脉冲输出电路发送流量相关信 息。每个脉冲能够被校准至流量单位。因而，通过对在过程控制回路上被 发送的脉冲数量计数可以监控流量总数。
在许多情况下，过程变量变送器必须遵循提供电路的多个方面上的设 计约束的本质安全(IS)标准进行运行。本质安全标准赋予对器件的设计约 束，以通过限制可用于引燃的能量来实现危险区域中电气设备的安全操作。 这些约束对电路施加许多限制并且对工业过程变量变送器中的电路设计 带来许多工程挑战。
发明内容
一种工业过程变量变送器包括配置成感测过程变量的过程变量传感 器。测量电路耦合至过程变量传感器并且提供作为过程变量的函数的测量 输出。输出电路包括配置成耦合至过程控制回路的回路连接。光学传感器 从测量电路接收测量输出。开关装置响应于来自光学传感器的输出将脉冲 应用于过程控制回路。电源电路用从过程控制回路和回路连接接收的电力 为光学传感器、比较器和/或开关装置供电。
附图说明
图1是磁流量计的局部剖视图。
图2是图1的磁流量计的简化电路示意图。
图3是配置成响应于测量到的过程变量在过程控制回路上提供脉冲的 脉冲输出电路的示意图。
具体实施方式
在许多方面，提供一种工业过程变量变送器，该工业过程变量变送器 包括配置成在过程控制回路上提供脉冲输出的输出电路。输出电路包括电 源电路，该电源电路配置成利用从过程控制回路接收的电力为输出电路供 电。以下讨论涉及一种类型利用应用的磁场测量流量的流量计。然而，本 发明能够应用到其它类型的流量变送器，其利用其它流量测量技术，诸如 涡流、差压、科里奥利场等以及其它过程变量。
图1是磁流量计20的局部剖视图，在磁流量计20中本发明的实施例 中特别有用。磁流量计20包括具有电绝缘衬套23的由低磁导率材料形成 的流量管22、由线圈形成的电磁体26、铁磁芯或屏蔽件28和电极30、32。 电磁体26和电极30、32被配线连接至变送器电路34。运行中，变送器电 路用电流驱动电磁体26，并且电磁体26在流量管22内部产生由箭头所 示的磁场36。过程液体21流动通过流量管22中的磁场，并且该流动在 液体内感应出电动势(EMF，电压)。绝缘衬套23防止EMF从液体21泄漏 至金属流量管22。电极30、32接触液体21并且获取或感测EMF，根据法 拉第定律该EMF与流量管22中的液体21的流速成比例。
图2是磁流量计20的电路示意图。磁流量计20包括适于携带流动 导电液体21的流量管22。线圈26靠近流量管22定位以响应于来自驱动 电路152的驱动信号施加磁场至过程流体。电极30和32感测在液体21 中产生的EMF。EMF与液体21的流动和所施加的磁场36相关。电极30和 32通过差分放大器150耦合至测量电路154。测量电路154遵循已知技术 提供与流动有关的输出。测量电路154可以包括例如适当编程或配置的微 处理器或数字信号处理器(DSP)电路。
测量电路154的输出被提供至输出电路158，用于发送至远离磁流量 计20的控制或监控电路。输出电路158提供脉冲输出。输出电路158 的输出被显示耦合至过程控制回路160。例如图3中所示的，回路160可 以是电流回路，在该电流回路上的脉冲输出被发送至一般情况远离流量计 20定位的控制或监控电路180。
根据本质安全设计要求，与测量流动相关的信息利用光学耦合技术被 从测量电路154发送至输出电路158。具体地，以推挽配置使用两个光耦 合器。虽然图中显示单向通信，但是通过利用附加的光耦合器也可以实施 双向通信。由发送光信号204至光学传感器200的光源196形成第一光耦 合器。通过发送光信号206至光学传感器202的光源198形成第二光耦合 器。使用光耦合器允许在两个电路154、158之间没有电连接的情况下在 两者之间发送数据。在一些现有技术配置中，为了满足本质安全要求，输 出电路158需要与测量电路154分离的隔离电源或电力供应和/或其它隔 离技术。然而，在本文中所讨论的配置中，用通过回路160接收到的电力 为输出电路158供电。这简化了电路设计和安装要求。
图3是简化电气示意图，示出了输出电路158通过过程控制回路160 耦合至位置或部位180。位置或部位180可以是与磁流量计20间隔开的 任何位置或部位。示例包括远程位置、中央控制室、监控站等。输出电路 158通过回路连接器172和174耦合至回路160。在远程位置180处的电 路被模拟为上拉电阻器182和电压源184，该电压源184为回路160提供 电力供应。脉冲计数器186配置成监控在回路160上所承载的脉冲，该脉 冲被输出电路158发送并且与所测量的过程变量相关联。
输出电路158大体包括输出晶体管190、电源192和驱动电路194。 驱动电路194配置成以推挽方式运行并且包括光学传感器200、202，光学 传感器200、202是分别从测量电路154接收信号204和206的光隔离器 的接收部分。这种推挽配置提供对正从测量电路154发送至输出电路158 的信号的大的噪音抗扰度。光学传感器200和202分别通过电阻器210和 212耦合至电学接地208。传感器200和202分别耦合至比较器214的反 相输入端(inverting input)和非反相输入端(non-inverting input)， 以使得它们以推挽配置运行。电阻器216和217配置成为比较器214提供 正反馈。来自比较器214的输出通过本质安全电阻器220被提供至晶体管 190的栅极。
电源192包括电流源230，该电流源230通过本质安全电阻器232 和PTC(正温度系数热敏电阻)234连接至回路160。电流源230提供所 要求的电流至二极管236和238。二极管236和238被用以将电流源230 分别耦合至电容器240和242。电容器240提供电力至光学传感器200和 202。电容器242被布置成提供电力至比较器214。二极管236和238防 止电力在脉冲接通时间的过程中被电容器240和242耗尽。恒定电流源 230优选被温度补偿以在跨过所期待的运行温度范围提供所需电流。
在运行期间，信号204和206彼此反相并且在两者之间交替，导致传 感器200和202接通或关断，从而提供差分输入至比较器214。当来自比 较器214的输出走高时，利用由电容器242供给的电力，施加高信号电平 至晶体管190的栅极，从而致使晶体管190接通。在此状态下，基本上流 过回路160的所有电流流过晶体管190。当来自比较器214的输出走低时， 晶体管190关断。以此方式，脉冲可以被施加至回路160。注意当晶体管 190导通(“接通”)时，基本不能获得流过电流源230的电流。因此，在 此周期的过程中，用存储在电容器240和242中的电力为传感器200和202、 比较器214和晶体管190供电。另一方面，当电流没有流过晶体管190(晶 体管190“关断”)时，电流源230将能够供给电流，由此为电容器240 和242充电。以此方式，在回路160处于高电压/低电流脉冲状态中时的 周期期间，从回路160中“清除”电力。
当晶体管190关断时，优选地是端子172、174之间的输出电压尽可 能地低。这实现了脉冲计数器186的设计和操作上的更大灵活性。想要的 是具有小于一伏特的跨过端子172、174两端的“接通”电压。
在一个特定配置中，由电源192供给至比较器214的电压是5伏特。 取决于上拉电阻182的值，当晶体管在脉冲期间“接通”时会发生跨过晶 体管190的压降。优选地，此压降小于约100mV。上拉电阻182和电压 184的组合确定在晶体管190接通时有多少电流流动通过晶体管190。这 些部件还确定能够多快地克服回路160的配线中的所有电容，并且因而确 定多少电荷能够到达输出电路158以在晶体管190的下一个“接通”循环 之前再次充电电源电压。太高的上拉电阻182的值、太多电缆容量、或电 压太低的电源184可能限制电路158的功能。
应该根据需要选择晶体管190的规格。在一个特定配置中，晶体管190 是MOSFET。可以影响选定晶体管的各种标准包括低栅极电荷QG。这降低了 每次开关周期所需的能量的量并且因而改进低功率且高速条件下起作用 的性能。晶体管190的接通电阻优选地低，例如小于2ohms。栅极阈值电 压优选地在2伏特以下以允许电路在非常低的电压下运行。然而，栅极阈 值电压应该大于约0.5伏特以使得晶体管190会可靠地关断。具体地，由 于比较器214的接地位置，本质安全电阻器246在晶体管190的栅极处生 成DC电压。而且，漏源极额定电压应该是至少30伏特，从而实现供给电 压184的值的灵活性。
可以根据需要选择本质安全电阻器220、232和246从而满足本质安 全(IS)要求。电阻器220、232和246运行以限制变送器20可以在故障状 态下放电至回路160的最大能量。应该考虑的多种设计约束包括可能的故 障电流经过的电流路径、每个这种故障状态下每个电阻器的较差情况下的 电力消耗等。优选选择具有足够小的值的本质安全电阻器232，以减小外 部电源184和输出电路158之间的压降。类似地，由于上述原因本质安全 电阻246也应该具有足够小的值，并且也减少晶体管190的栅极上的DC 偏压。本质安全电阻器220可以具有相对高的值，因为它被简单用以将电 压耦合至晶体管190的栅极，其具有一些电容。增加电阻220的值也可减 少晶体管190的开关速度，具有减少在回路160的更长电缆长度上的减幅 振荡(ringing)的额外益处。
此配置提供脉冲输出，其中接通电压小于100mV，同时也提供本质安 全。而且，可以以5,500Hz的速度发送脉冲。在脉冲关断时间期间提取 (scavenge)电力，从而在脉冲接通时间期间为脉冲电路供电。在一种配 置中，晶体管190的正常状态是关断状态，以使得可以在能够给电容器240 和242充电的端子172和174之间获得足够电压。在脉冲被施加至回路160 时，晶体管190被短暂地接通，从而使得回路电流从中通过并且导致脉冲 被脉冲计数器186登记。注意，在确定电容器240和242是否能够存储足 够电压以在晶体管接通时间期间为脉冲电路供电时，必须全部考虑频率、 占空因素、电阻器182的值和电压源184的值。
虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应明 白地是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面 进行改变。本文中所描述的磁流量计例如被有目的地使用并且可以采用其 它类型的过程变量传感器。可以采用其它耦合技术并且本发明不限于本文 中所描述的光耦合器或推挽技术。虽然上面所讨论的晶体管用于生成脉冲， 但是可以采用任何类型的开关装置。